Hortic Res | 中国农科院油料所华玮团队解析首个双子叶C4光合物种端粒到端粒的基因组并揭示C3向C4光合类型演化的历程

C4物种通常具有高光能利用效率、高氮素利用效率、高水分利用效率、高抗及高产等优势性状；因此，将 C3植物/作物进行C4化的改良和光合类型的转变对于可持续满足全球粮食和能源的需求具有重要的理论意义和应用价值。C4光合类型由C3光合类型进化而形成，因而需要对C4高光效这一复杂性状的起源、遗传基础和发育特征等进行深入的研究。但是迄今为止，C3向C4光合进化和转变的详细过程及分子机制仍然不清楚。

2023年8月，Horticulture Research 在线发表了中国农业科学院油料作物研究所油料作物分子改良理论与技术创新团队题为Integrated global analysis in spider-flowers illuminates features underlying the evolution and maintenance of C4 photosynthesis 的研究论文，该项研究组装完成了首个双子叶C4光合物种染色体水平端粒到端粒的完整基因组，并阐明了作物/植物由C3向C4光合类型转变和维持的作用机制。

同为油菜（C3光合类型；油料作物）近缘种的醉蝶花（C3光合类型；观赏花卉）和白花菜（C4光合类型；蔬菜作物兼药用植物），是研究C3向C4光合演化及转变的典型物种。然而长期以来由于缺乏双子叶C4光合物种的参考基因组，限制了对油菜等双子叶C3光合物种的C4高光效改良。该项研究综合利用ONT, HiFi 和Hi-C等先进测序技术完成了对白花菜基因组染色体从端粒到端粒的组装，并通过与醉蝶花的比较基因组学及比较转录组学的系统分析，发现白花菜物种所特有的全基因组加倍事件、基因家族扩张、近期的LTR-RT扩增以及串联重复事件等均促进了C3向C4光合的进化和高光效的维持。研究另外发现，除基因组特征外，C4物种所具有的叶片高维管束密度、高抗和高光效等性状，与相关通路的基因表达调控也显著相关。这些研究结果为C3向C4光合转变这一复杂性状的趋同进化提供了新的见解。综上，白花菜高质量完整基因组的解析和具备成熟的遗传转化体系，确立了其可作为C4生物学领域双子叶C4光合研究的模式物种，同时为C3作物进行C4化的遗传改良提供了重要的基因组学基础和基因资源。

图 C4光合类型物种白花菜高质量参考基因组的解析揭示C3向C4高光效进化的历程

中国农业科学院油料作物研究所/农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室团队首席华玮研究员和刘军研究员为本文共同通讯作者，赵为博士和李俊副研究员为本文共同第一作者。该项研究得到中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-2021-OCRI）和国家自然科学基金（32072096）的资助。

作者团队介绍

油料作物分子改良理论与技术创新团队定位为基础与应用基础研究性工作，以“四个面向”和“两个一流”为指导，紧密围绕食用油供给安全和油料种业发展等国家重大需求，以提升我国油料作物产油量和抗性为目标，聚焦油料作物高油、理想株型、高光效与耐旱耐盐碱等性状形成的调控机理解析，发掘油料及近缘种优异功能基因，创建先进高效分子育种技术，并开展油料新种质创制工作，支撑油料作物优异品种的选育。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhad129

转自：“园艺研究”微信公众号

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